馬大勇，李安卓，徐 昕，王虎群

(沈陽航空航天大學(xué)，遼寧 沈陽 110136)

1 引言

以往的虛擬交互界面并不能主動迎合多種用戶需求，致使虛擬交互軟件的使用效果不盡如人意[1]。經(jīng)驗感知指的是讓計算機(jī)具備感知和記憶功能，可通過學(xué)習(xí)完成用戶行為、偏好的認(rèn)知，可獲取用戶的更多信息，感知用戶的目的或者意圖，以此可向用戶提供個性化服務(wù)[2，3]?，F(xiàn)階段，隨著計算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，虛擬交互界面的視覺交互布局效果成為用戶主要關(guān)注的內(nèi)容，目前和虛擬交互界面布局方面有關(guān)的研究不在少數(shù)，金昱潼等人[4]和馬超民等人[5]分別針對虛擬界面的布局設(shè)計展開相關(guān)研究，各自提出基于視覺注意機(jī)制、基于用戶體驗的布局優(yōu)化方法，上述方法均可以設(shè)計出交互性較好的交互界面，但是在界面布局中，未能注重用戶操作經(jīng)驗的感知，致使用戶在使用交互界面操作時，需要耗費較多時間去熟悉交互界面，操作效率有待優(yōu)化，在布局上仍舊存在一定不足。

基于此，本文提出了基于經(jīng)驗感知的虛擬交互界面布局優(yōu)化方法，該方法主要是按照用戶的個性信息、角色信息、經(jīng)驗信息構(gòu)建用戶模型，并提取用戶在使用虛擬交互界面時的交互動作標(biāo)識信息、交互動作類型信息、交互動作的作用目標(biāo)信息、交互動作的出現(xiàn)位置、交互動作的出現(xiàn)時間、動作效果屬性信息，以此作為基于感知強(qiáng)度的虛擬交互界面布局優(yōu)化模型的布局核心，最后通過遺傳粒子群算法，求解基于感知強(qiáng)度的虛擬交互界面布局優(yōu)化模型，獲取最優(yōu)布局方案，實現(xiàn)虛擬交互界面布局優(yōu)化。

2 虛擬交互界面布局優(yōu)化

2.1 基于經(jīng)驗感知的用戶模型

不同用戶對虛擬交互界面的要求存在不同要求，且針對一種虛擬系統(tǒng)來講，專業(yè)人士與學(xué)員在完成相同任務(wù)的操作方法也存在差異。

用戶模型能夠描述用戶偏好特征以及用戶操作經(jīng)驗。建立一個基于經(jīng)驗感知的用戶模型，將用戶模型VN設(shè)成一個三元組VN=〈Q，S，F(xiàn)〉，Q、S、F分別描述用戶個性信息、角色信息、經(jīng)驗信息。

2.1.1 個性信息

人們結(jié)合環(huán)境、知識、感知與認(rèn)知方面的內(nèi)容，作出具有傾向性的行為便可體現(xiàn)其自身的偏好信息，即個性信息，偏好信息屬于用戶對操作系統(tǒng)中已有屬性的選擇[6，7]。本文使用B描述用戶偏好，設(shè)置已有屬性集合即為系統(tǒng)，包括屏幕分辨率、顏色等。偏好設(shè)定成Q={B|B∈BR|}，虛擬操作系統(tǒng)供給集合B的元素即為BR。

2.1.2 用戶角色

用戶角色描述群體用戶能夠執(zhí)行的行為，將角色描述成一個三元組S=〈SID，SNAME，SA〉，SID、SNAME、分別代表角色標(biāo)識信息、角色名稱信息、交互動作信息。一個角色能夠做出很多交互動作，多個角色也能做出一種交互SA動作[8]。

2.1.3 用戶經(jīng)驗

用戶在操作任務(wù)時，為了完成操作任務(wù)會執(zhí)行某些交互動作，此類執(zhí)行序列會以用戶的操作經(jīng)驗存儲在系統(tǒng)中，用戶操作經(jīng)驗會伴隨用戶操作時間的增多而增多。此時，如果系統(tǒng)可以不斷感知用戶經(jīng)驗，便可掌握用戶的操作意圖，為用戶提供最合適的虛擬交互界面，提升用戶的操作效率，優(yōu)化用戶的操作體驗。

由此可知，用戶經(jīng)驗就是用戶為了實現(xiàn)某目標(biāo)而執(zhí)行的交互動作，本文將其描述成一個六元組SA=〈SAID，SAName，SAId，q，T，SQ〉，SAID、SAName、SAId、q、T、SQ依次是交互動作標(biāo)識、交互動作類型、交互動作的作用目標(biāo)信息、交互動作出現(xiàn)位置、交互動作出現(xiàn)時間、動作效果屬性信息。

2.2 基于感知強(qiáng)度的虛擬交互界面布局優(yōu)化模型

2.2.1 基于經(jīng)驗重要度判斷的用戶經(jīng)驗信息篩選

(1)

其中，第j個指標(biāo)、第j-1個指標(biāo)的權(quán)重是?j、?j-1。在運算用戶經(jīng)驗信息的重要度之前，用戶經(jīng)驗信息權(quán)重?j并非已知，需要通過專家按照用戶經(jīng)驗信息之間的重要度評分得到Bk，用戶經(jīng)驗信息重要程度Bk賦值信息見表1。

表1 用戶經(jīng)驗信息重要程度

2.2.2 虛擬交互界面布局優(yōu)化模型的構(gòu)建

運算重要度較高的用戶經(jīng)驗信息的感知強(qiáng)度，將此設(shè)成優(yōu)化目標(biāo)，建立基于感知強(qiáng)度的虛擬交互界面布局優(yōu)化模型。每個感知信息布局至虛擬交互界面后感知強(qiáng)度指數(shù)是H={h1，h2，…，hm}。

感知強(qiáng)度指數(shù)hm可描述某個用戶經(jīng)驗感知信息被布局至虛擬交互界面某處時，此信息重要度級別gm、布局位置的感知強(qiáng)度級別ym以及在對應(yīng)布局位置占據(jù)的單元數(shù)pji的乘積，則：

(2)

感知強(qiáng)度指數(shù)較大，感知信息布局的方位在整個虛擬交互界面的核心區(qū)域概率越大。使用此方式建立基于感知強(qiáng)度的虛擬交互界面布局優(yōu)化模型的目標(biāo)函數(shù)

(3)

此模型的約束條件是

(6)

式(4)描述所布局的全部感知信息在感知強(qiáng)度區(qū)域中的面積之和；式(5)描述感知信息布局在每個感知強(qiáng)度區(qū)域的面積之和，rji即為此感知信息的面積；式(6)描述感知信息的面積之和。

2.2.3 基于遺傳粒子群算法的虛擬交互界面布局優(yōu)化模型求解

粒子群優(yōu)化算法屬于群體智能算法的其中一種，其可以按照鳥群尋找食物的行為，使用鳥群之間的集體協(xié)同技能，讓群體抵達(dá)最終的目的地。在粒子群算法中，用戶經(jīng)驗感知信息即為群體空間中的某只小鳥，此只小鳥即為“粒子”。全部粒子均具備適應(yīng)值，各個粒子會受到速度的影響，運用粒子群算法將虛擬交互界面布局的界面信息初始化成蟻群隨機(jī)粒子，以迭代的模式檢索布局方案最優(yōu)解。

設(shè)置虛擬交互界面布局優(yōu)化時，布局最優(yōu)方案檢索空間的維數(shù)是E，感知信息目前的布局位置是yj=(yj1，yj2，…，yjE)T，感知信息就是粒子，粒子曾經(jīng)所在的最佳位置是qj=(qj1，qj2，…，qjE)T，種群里最佳粒子的最優(yōu)位置設(shè)成fjE，粒子的速度設(shè)成uj=(uj1，uj2，…，ujE)T，粒子的速度與位置更新方法是

(7)

其中，學(xué)習(xí)因子是d1、d2；s1、s2是隨機(jī)數(shù)；迭代次數(shù)、慣性權(quán)重依次是γ、?γ。迭代過程使用式(7)實現(xiàn)粒子解線性減少

(8)

其中，最大迭代次數(shù)是γmax；?min、?max是?γ的最小值、最大值。

結(jié)合上述算法思想設(shè)計遺傳粒子群算法，為了為粒子群設(shè)置具有針對性的雜交概率，此算法在粒子群算法的內(nèi)容中引進(jìn)遺傳算法的操作算子，在迭代進(jìn)程中，按照雜交概率值將每個粒子實施雜交處理，所得子代粒子與處理前粒子數(shù)量一致。將父代粒子進(jìn)行交叉處理，然后對比兩代粒子適應(yīng)度值，如果子代粒子適應(yīng)度值大于父代粒子，便將其取代，反之保持不變。子代粒子的方位通過父代粒子位置的加權(quán)處理獲取

y′1=qy1+(1-q)y2

(9)

y′2=(1-q)y1+qy2

(10)

其中，E維空間中的父代粒子是y1、y2；E維空間中交叉后獲取子代粒子是y′1、y′2；分布具有均勻特征的E維隨機(jī)向量是q，q的值域是[0，1]。

使用遺傳粒子群算法求解虛擬交互界面布局優(yōu)化問題的步驟是：

1)將粒子群中各個粒子位置與速度實施初始化；

2)評估粒子群適應(yīng)度；

3)求解各個粒子的最優(yōu)位置qj；

4)求解全部粒子群的最優(yōu)方位fjE；

5)調(diào)節(jié)各個粒子的位置和速度；

6)以交叉概率為核心，對粒子群實施交叉處理；

7)以適應(yīng)度為操作核心，更新粒子群；

8)判斷迭代次數(shù)是否為最大次數(shù)，如果是便可輸出目前粒子最優(yōu)解，獲取虛擬交互界面布局優(yōu)化的用戶經(jīng)驗感知信息最優(yōu)布局方案，反之跳轉(zhuǎn)至步驟3)。

3 實驗分析

3.1 布局優(yōu)化效果測試

使用本文方法對大型礦用挖掘機(jī)虛擬操作界面進(jìn)行布局優(yōu)化，在實驗中，本文方法所感知的大型礦用挖掘機(jī)操作員習(xí)慣用右手操作，的操作經(jīng)驗示意圖如圖1所示。

圖1 操作經(jīng)驗感知圖

將存在操作元件較多的虛擬交互界面進(jìn)行劃分，布局劃分結(jié)果示意圖如圖2所示。

圖2 布局劃分結(jié)果示意圖

如圖2所示，將使用頻率較高的顯示元件、開關(guān)區(qū)域都設(shè)置在面板的下方，利于操作人員快速操作，使用頻率非常高的開關(guān)區(qū)域在右側(cè)，與其右手操作習(xí)慣相符。

本文方法布局后，通過駕駛員與設(shè)計人員對布局效果進(jìn)行評價，主要通過5分制進(jìn)行打分評價，評價結(jié)果見圖3。

圖3 本文方法布局效果評價結(jié)果

分析圖3可知，本文方法布局后，虛擬交互操作面板的信息可讀性、信息傳達(dá)準(zhǔn)確性、區(qū)域布局合理性均為4.9分，分?jǐn)?shù)較高。

3.2 遺傳粒子群算法應(yīng)用效果測試

分析本文方法中所用遺傳粒子群算法在求解虛擬交互界面布局優(yōu)化問題時的收斂性，主要以已完成的虛擬交互界面布局優(yōu)化工作量為衡量內(nèi)容，結(jié)果如圖4所示。

圖4 遺傳粒子群算法最優(yōu)解變動示意圖

分析圖4可知，當(dāng)遺傳粒子群算法迭代次數(shù)為40次時，已完成布局優(yōu)化工作量便已高達(dá)100%，表示虛擬交互界面布局優(yōu)化工作已完成，由此可見，本文方法使用遺傳粒子群算法能夠在40次迭代中便可完成虛擬交互界面布局優(yōu)化，應(yīng)用效率較高。

3.3 經(jīng)驗感知效果測試

為了測試本文方法在優(yōu)化虛擬交互界面時，對用戶經(jīng)驗感知的使用效果，將本文方法使用在圖片換色軟件(AKVISDecorator)中。

實驗中，要求4名裝修設(shè)計人員使用本文方法所布局優(yōu)化的虛擬交互界面，其中2位(編碼1、2)設(shè)計人員的計算機(jī)操作水平屬于專業(yè)級，另外2位(編碼3、4)是業(yè)余級。

實驗任務(wù)設(shè)置為：各個裝修設(shè)計人員使用本文方法所布局優(yōu)化的虛擬交互界面，設(shè)計3個簡單類裝修設(shè)計方案，簡稱A1、A2、A3。實驗中需要記載4位設(shè)計人員在設(shè)計裝修方案時的操作完成時間，按照交互動作歷史記錄，將全部回溯動作都保存分析；記載4位設(shè)計人員在實驗中操作錯誤的次數(shù)，詳情見表2。

表2 4位設(shè)計人員在實驗中操作失誤的出現(xiàn)次數(shù)

分析表2可知，專業(yè)人員在設(shè)計A1、A2、A3時，耗時的長短、回溯次數(shù)、操作錯誤次數(shù)排名都是A1>A2>A3，編碼是1、2的專業(yè)人員在設(shè)計A1方案時，分別需要耗費26min、22min，在設(shè)計A3方案時，分別需要耗費20min、19min，時間縮短明顯。編碼是3、4的非專業(yè)人員在設(shè)計A3方案時耗費時間也明顯比A1方案少。從回溯次數(shù)的測試結(jié)果看，4位裝修設(shè)計人員在設(shè)計A3方案時的回溯次數(shù)都比A1方案、A2方案少，且操作失誤的次數(shù)在設(shè)計A3方案時，均變?yōu)?次。由此可見，本文方法使用后，實驗中4位設(shè)計人員，在完成設(shè)計任務(wù)時所耗費的時間均縮短，證明本文方法可以主動感知用戶的經(jīng)驗信息，迎合用戶需求實現(xiàn)虛擬交互界面最優(yōu)布局，提升虛擬界面的交互性，本文方法可行。

4 結(jié)論

虛擬交互界面布局對用戶的使用效果存在直接影響，一個性能優(yōu)良的操作系統(tǒng)擁有布局合理的虛擬交互界面，便會提升用戶對其的使用頻率。如文中實驗所證，當(dāng)虛擬交互界面布局內(nèi)容符合用戶的操作經(jīng)驗，將會直接提升用戶的操作效率。本文提出的基于經(jīng)驗感知的虛擬交互界面布局優(yōu)化方法，在實現(xiàn)虛擬交互界面布局優(yōu)化時，核心內(nèi)容即為用戶操作經(jīng)驗的感知，能夠以用戶的偏好為布局優(yōu)化核心，主動迎合用戶的操作習(xí)慣，具有使用價值。

因為時間有限，色彩因素對用戶操作視覺的影響本文還未深究，在未來的研究工作中，本文將著手研究虛擬交互界面色彩布局方面的研究，以期提升本文方法的使用價值